Die Faszination, an dunklen Orten zu sein, begleitet die Paläo-Klimatologin Gina Moseley schon seit ihrer Kindheit. Von klein auf besuchte sie gerne die Verliese von Burgen, wenig später entdeckte sie im Urlaub mit ihren Eltern das Abenteuer Höhlenerkundung. Dieses Hobby hat sie nach dem Studium der Physikalischen Geographie dann zu ihrem Beruf gemacht. Heute untersucht sie Sedimentablagerungen in Höhlen auf der ganzen Welt, um Rückschlüsse auf das Klima und die Vegetation der vergangenen 650.000 Jahre ziehen zu können.
„Das Wasser, das die Ablagerungen hinterlässt, ist ursprünglich aus dem Ozean verdunstet, durch die Atmosphäre gewandert und hat dann auch noch das Gestein über den Höhlen durchdrungen. Das hinterlässt Spuren. Wir können durch eine Untersuchung der Isotopenzusammensetzung im Gestein Aussagen über die Verhältnisse der letzten halben Million Jahre treffen“, sagt Moseley, die an der Universität Innsbruck forscht und heuer in die Junge Akademie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gewählt wurde. Neben Stalaktiten und Stalagmiten, die durch tropfendes Wasser aufgeschichtet werden, untersuchen Moseley und ihre Kolleg/innen auch Ablagerungen, die von unterirdischen fließenden Gewässern zurückgelassen werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass es – mit Ausnahme der Antarktis – auf allen Kontinenten Höhlen gibt. Dadurch steht der Wissenschaft ein geografisch breites „Archiv“ zur Verfügung.
Natürlicher Tresor
Zudem sind die unterirdischen Ablagerungen im Vergleich zu oberflächlichen Sedimentschichten gut geschützt. Die Genauigkeit der Datierung ist ebenfalls hoch. „Bei schnellwachsenden Stalagmiten und Stalaktiten können wir sogar jährliche Schichten unterscheiden, ähnlich wie bei den Jahresringen eines Baumes. Das erlaubt es uns, Aussagen über die jahreszeitlichen Veränderungen zu treffen“, sagt Moseley. Zur Altersbestimmung setzen die Wissenschaftler/innen auf die Analyse des Verhältnisses von Thorium- und Uranisotopen in den Proben, die sie aus den Sedimentablagerungen entnehmen. „Damit können wir bis zu 650.000 Jahre in die Vergangenheit schauen. Mit einer Analyse des Verhältnisses zwischen den Blei- und Uranisotopen könnte man noch weiter zurückdatieren, diese Methode unterliegt aber einigen Einschränkungen, weshalb wir sie derzeit nicht nutzen“, erklärt Moseley.
Die Genauigkeit der Datierung der Sedimentschichten ist mit der Thorium-Uran-Methode sehr hoch. Wenn ein Stalagmit 10.000 Jahre alt ist, kann das mit einer Genauigkeit von plus oder minus 20 Jahren bestimmt werden. „Sogar bei 100.000 Jahre alten Proben liegt die Ungenauigkeit nur bei plus oder minus 200 Jahren“, sagt Moseley. Die Nutzung von Höhlen als Klimaarchive ist seit den 1980er-Jahren gut etabliert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Übereinstimmung mit anderen Daten, die beispielsweise aus Eiskernbohrungen stammen, sehr gut ist. „In der nördlichen Hemisphäre stimmen die Daten aus Höhlen im Alpenraum sehr genau mit denen aus Eiskernen aus Grönland überein. Die Daten aus dem Eis reichen aber nur bis in die letzte Zwischeneiszeit zurück, das sind etwa 120.000 Jahre. Wir können da noch viel weiter in die Vergangenheit sehen“, erklärt Moseley.
Isotope als Datierungshilfe
Die Methoden der Höhlenklimatologie haben sich seit den Anfängen geändert. Heute spielt beispielsweise auch die Konservierung der einmaligen unterirdischen Gesteinsformationen eine wichtige Rolle. „Wir versuchen, die Eingriffe minimal zu halten. Von den schönsten Stalaktiten und Stalagmiten lassen wir die Finger. Wir machen zudem meist kleine Bohrungen, um Proben zu entnehmen. Erst wenn wir im Labor sehen, dass der betreffende Stein interessant ist, nehmen wir größere Mengen Material zur Analyse mit“, sagt Moseley. Neben der Analyse des Thorium-Uran-Isotopenverhältnisses werden auch die Isotope von Sauerstoff und Kohlenstoff im Labor genau untersucht. Durch eine Kombination mit der Altersbestimmung können Veränderungen dann zeitlich eingeordnet werden.
Der Sauerstoff im Gestein kommt ursprünglich aus dem Wasser, das die Ablagerungen zurückgelassen hat. „Uns interessiert das Verhältnis zwischen Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18. 18 ist das schwerere Isotop, das heißt, dass das entsprechende Wasser langsamer aus dem Ozean verdunstet. Wenn das Klima wärmer wird, steigt dadurch der Gehalt von Sauerstoff 18 im Gestein. Das gilt aber nur für die mittleren Breiten. In Monsungebieten ändert sich der Gehalt von Sauerstoff-18 mit der Intensität der jährlichen Niederschläge“, erklärt Moseley. Die Analyse der Zusammensetzung der Kohlenstoffisotope erlaubt sogar Rückschlüsse auf die Vegetation, die in der Vergangenheit über den Höhlen zu finden war. „Das Wasser nimmt auf seinem Weg durch die Erde Kohlenstoff auf. Je nachdem, ob Gras oder Bäume gewachsen sind, resultiert das in einem anderen Verhältnis zwischen den Isotopen C12 und C13“, sagt Moseley. Hier können aber auch andere Faktoren eine Rolle spielen, weshalb die Aussagen nicht immer ganz verlässlich sind.
Expedition nach Grönland
Die Daten aus österreichischen Höhlen haben geholfen zu bestätigen, dass sich das Klima in den letzten 120.000 Jahren teilweise sehr rasch verändert hat. „Das ist beängstigend. Die Alpen und die Arktis sind besonders empfindlich und gute Indikatoren für die Entwicklung in der restlichen nördlichen Hemisphäre. In beiden Regionen sehen wir auch heute eine rasche Erwärmung. Das ist kein gutes Zeichen für die Zukunft“, sagt Moseley. Um noch bessere Daten über die klimatische Entwicklung in der Vergangenheit zu sammeln, hat ein Team aus Innsbruck im Sommer eine Expedition nach Grönland unternommen. Eine Aufklärungsreise in die Region hat Moseley schon 2015 gemacht. Damals hat sie mit Kolleginnen und Kollegen festgestellt, dass es in Höhlen in Grönland eine Menge interessanter Ablagerungen, die von fließendem Wasser hinterlassen wurden, gibt.
Durch eine Förderung des FWF kann jetzt eine größere Expedition gestartet werden, um die ersten auf Höhlenablagerungen basierenden Klimaaufzeichnungen für die Arktis anzufertigen. Die Höhlen, die untersucht werden, liegen in Nordostgrönland, einer Region, die als sehr guter Indikator für Klimaveränderungen gilt. Auf Basis der so gewonnenen Daten können die Forscherinnen und Forscher Modelle erstellen, die Vorhersagen für die künftige klimatische Veränderung erlauben. „Allein, dass es Ablagerungen in dieser kalten, trockenen Region gibt, zeigt uns, dass es dort in der Vergangenheit wärmer und feuchter gewesen sein muss. Vielleicht geht es in Zukunft auch wieder in diese Richtung“, sagt Moseley.
Gina Moseley studierte Physikalische Geographie an der University of Birmingham, 2009 promovierte sie an der Universität Bristol über die Veränderung des Meeresspiegels in der Karibik in den letzten 500.000 Jahren. Nach einer Postdoc-Stelle an der University of Manchester wechselte sie 2011 an die Universität Innsbruck. Im Jahr 2018 hat Moseley die Ingeborg-Hochmair-Professur und einen FWF-Startpreis erhalten. Anfang 2019 wurde sie zum Mitglied der Jungen Akademie der ÖAW gewählt.
(ÖAW)